测试技术 第四章 常用传感器

用光电转换可以检测出莫尔条纹的位移 光电转换后的输出电压波形如下图
第九节 其他传感器
一,气敏传感器
– 将检测到的气体成分和浓度转换为电信号的传感器.
半导体气敏传感器 敏感气体种类: 固体电解质气敏传感器 敏感气体量:真空度气敏传感器 检测气体成分:高频成分传感器,光学成分传感器
半导体气敏传感器
第四章 常用传感器
第一节 传感器概述
传感器是一种能将非电被测量变换成电学量输出的功能性器件.
一,传感器的分类
常用的分类方法: 按工作原理分:如电容式传感器,电阻式传感器 按功能分:如位移传感器,压力传感器等
常用传感器见表4.1
二,传感器的性能要求
第二节 传感器选用原则
灵敏度:灵敏度越高,噪声也越容易混入,所以信噪比要高. 线性范围:线性范围越宽,传感器的工作量程越大. 响应特性:它对测试结果有直接影响. 它必须在所测频率范围内尽量保持不失真. 稳定性:影响稳定性的因素是时间和环境,常用时漂和温漂反映. 精确度:常用不确定度,准确度,重复性,回程误差表示. 并非精确度越高越好. 其他:根据实际测试情况而定.如接触或非接触测量,直接或间 接测量等.
辐射式
被测物体本身就是辐射源. – 可用于光电高温计,比色高温计, 红外测量等
2. 脉冲式光电传感器 使用光电元件的通,断开关状态. 主要用于产品计数,光控开关,光电编码器及报警器等.
三,光电盘和编码盘
——可用于测量角位移,转速 1.光电盘 它是在玻璃表面镀一层不透明的铬,再用照相腐蚀法制成几百或 上千条狭缝. 用光电原理进行测量. 见图
光干涉法测距的分辨率至少为λ/2, 甚至可测定0.01个光干涉条纹.
单频激光干涉仪
如图 5是分光镜,7是可动棱镜,4是固定棱镜 激光器1发出的激光束,经镀有半透明银箔层的分光镜 5将光分为两路,并重新在分光镜5处汇合成相干光. 折射光和反射光的波形相同,相位不同. 适当调整2,3的位置,使两光电信号相位差90 两者相位超前或滞后的关系,取决于7的移动,则 干涉条纹移动,每移动一个干涉条纹,光电信号变化 一个周期.
应用:
第六节 压电式传感器
——利用压电材料的压电效应(将力→电荷)和逆压电效应(电场 →形变或力) 压电效应:压电材料在一定方向的外力作用下,使材料内部产生 极化现象,材料表面有电荷出现,形成电场. 逆压电效应:外电场作用下,使压电材料产生机械变形的现象.
力沿X轴(电轴)作用产生电荷——纵向压电效应 ……Y…(机械轴) ——横向压电效应 ……Z… (光轴) 不产生电荷
压电陶瓷的其它应用
煤气点火器 超声波发生器 超声波电机
第七节 磁电式传感器
一,磁感应电式传感器
原理 电磁感应定律:线圈在磁场中运动,线圈两端的感应电动势
1. 恒定磁通式
dф e = W dt
Baidu Nhomakorabea
2. 变磁通式
二,霍尔式传感器
霍尔电动势U H = S H IB 这里,S H — 灵敏度系数,与载流材 料有关.
电阻的变化率:dR / R = (1 + 2ν )ε + dρ / ρ ≈ dρ / ρ = π L Eε 这里:ρ— 电阻率,π L— 压阻系数,E— 弹性模量 σ — 应力, ε = dL / L 轴向应变 dR / R 半导体材料的灵敏度系数S 0 = = πLE ε
三,变阻式传感器(电位器式传感器)
应用
测振动 测速度 测转速
10,激光
高度单色性:激光的谱线宽度窄. 高度相干性: 方向性好:发散角很小,几乎是平行光. 亮度高
激光干涉法测距原理
光的干涉原理:两束具有固定相位差,而且有 相同频率,相同振动方向或振动方向之间夹角 很小的光相互交叠,会产生干涉现象. 见图 两束光S1,S2在分光镜处合成相干光束. 当S1,S2的路程差为Nλ(λ为波长,N为整数) 光强最大; ……………………..λ/2(或半波长的奇数倍) ………小.
W 2 0 A0 L= 2δ
这里, 0 为空气磁导率, A0 为空气隙导磁横截面积.
2. 电涡流式传感器 (1)高频反射式涡流传感器
高频激励电流i产生的高频电磁场使金属板表面产生涡流i1, 涡流又产生反向的磁场,反作用于线圈上,由此引起线圈自感L 或阻抗的变化.
(2)低频透射式涡流传感器
涡流传感器的应用
变阻式传感器有:线绕式,薄膜式,光电式等. 可用来测量位移,压力,加速度等. 非线性电位器又称为函数电位器.可以对某些传感器的某些非线 性环节进行补偿.
第四节 电感式传感器
一,自感型传感器
1. 可变磁阻式传感器
L = W 2 / Rm W:线圈匝数 l 2δ 2δ Rm = + ≈ A 0 A0 0 A0 Rm:磁路总磁阻
第三节 电阻式传感器
一,电阻应变式传感器 丝式应变片 电阻丝直径0.012mm 丝式应变片:
轴向应变 横向应变
箔式应变片 箔式应变片:用照相制版或光刻腐蚀,将电阻箔 材(厚度0.001-0.01mm)在绝缘基底上制成各种 图形.
二,压阻式传感器
压阻效应:用半导体材料作敏感栅,在外力作用下,其电阻率发生 变化.
(2) 光生伏特效应 光生伏特效应:半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电 动势的效应. 这类器件有:硅光电池.
二,应用:
1. 模拟式光电传感器 吸收式
– 可测量液体,气体的透明度,成分等
反射式
– 可测量零件的表面粗糙度,位移等
遮光式
– 可测量长度,厚度,线位移,角位移, 振动等
�
霍尔乘法器
三,磁阻效应传感器
磁阻效应:在磁场作用下,半导体片内电流分布不均匀,改变磁 场强弱可以 影响电流密度的分布,表现为半导体内的电阻变化. 下图为用磁阻效应测量位移.
第八节 光电式传感器
光电式传感器是将光量转换为电量.它是利用光电效应. 一,光电效应及光电器件 1. 外光电效应 在光线作用下,物质内的电子逸出物体表面向外发射的现象. 这类器件有:光电管,光电倍增管等.
– 将水分量(即含水量,用百分比表示)转换成电信号.
水分传感器的种类有直流电阻型,高频电阻型,电容率型,气体 介质型,近红外型,中子型,核磁共振型等. 直流电阻型水分传感器: 利用高分子物质的电阻R随含水量M而变化.如下图
四,光纤传感器
– 分为物性型和结构型.
物性型(功能型或敏感型):利用光纤对被测量的敏感性,如被 测量变化使光强或相位发生变化.这里光纤本身就是敏感元件. 结构型(传光型):光纤只作为光的传输媒质. 下图为光纤流速传感器的工作原理.
透射式光栅读数头示意图如下:
工作原理 形成的莫尔条纹见右图 W—光栅节距, θ—两光栅的夹角 莫尔条纹的宽度:
BH = W θ 2sin 2 sin 2
∵θ很小
≈
W W = θ θ 2 2
光栅移动一个栅距,干涉条纹移动一个莫尔条纹宽度 例:当光栅节距W=0.04mm 若θ=0.1 时,莫尔条纹宽度BH=22.9mm 0.2 时,………………..11.46mm ∴W取决于θ的大小
– 利用半导体气敏元件同气体接触后, 造成半导体性质变化来检测特定气体 的成分或浓度.
二,湿敏传感器
常用的有高分子膜湿敏元件,半导体陶瓷湿敏元件,热敏电阻湿 敏元件,氯化锂湿敏元件等. 高分子膜湿敏元件
– 利用高分子膜吸收或放出水分会引起电导率或电容变化的特性测量环境相 对湿度.
如右图
三,水分传感器
λ
∫0 vdt
t
本章小结
主要介绍了部分传感器的工作原理 电阻式(应变片),电感式(自感,互感), 电容式,压电式,磁电式(发电原理),感应 同步器,光栅,光电盘,编码盘,磁尺,激光
作业
1,了解目前国内有哪些厂家生产何种应变片,技术指标如何,它 们应用于什么方面. 2,了解目前国内市场上的电容式传感器用于什么方面的测量,原 理是什么,技术指标如何,生产厂家是哪里. 3,了解目前国内市场上的压电式传感器用于什么方面的测量,原 理是什么,技术指标如何,生产厂家是哪里. 4,比较国内外光栅的技术指标,你认为国内做的好的有哪几家公 司(限三名),国外做的好的有哪几家公司(限三名). 为什么?
2. 编码盘 见下图
四,光栅
——用于精密测量位移
常用光栅线纹密度为50,100,200/mm 即栅距为:0.02,0.01,0.005mm 有两类:透射光栅,反射光栅
透射光栅:在透明的光学玻璃板上刻制线纹,利用光的透射,形 成光栅.其原理如下图
反射光栅:在不透明的金属上刻制线纹,利用光的透射,形成光栅. 其原理如下图
二,互感型(差动变压器式)传感器
三,压磁式传感器
压磁效应:应力使铁磁材料的磁性质发生变化的现象. 压磁式传感器的工作原理:
力F → 应力σ → 磁导率 → 磁路磁阻Rm → 线圈阻抗Z或感应电动势e
应用: 测力 轨道衡
ε 0εA C= δ
第五节 电容式传感器
变极距型
变面积型
变介电常数型
双频激光干涉仪
它是利用光的干涉原理和多卜勒效应产生频差 的原理来进行位置检测的. 如图 激光器发出的激光为方向相反的左,右旋偏振 光,其振幅相同,频率不同(f1,f2) 检偏器及光电管可得到两频率差的光电流. 检偏器及光电管
∵ f 基 = f 2 f1 ∵ f = 2v f 测 = f 2 f1 ± f) ∴f = f 基 f 测 ( L= fλ ∴v = 2
2. 内光电效应 内光电效应:受光照物体(如半导体)电导率发生变化或产生光 电动势的效应. 按原理分为:光电导效应和光生伏特效应. (1)光电导效应 光电导效应:光照后电阻率发生变化的现象. 这类器件有:光敏电阻,光电二极管,光电三极管. 光敏电阻 灵敏度高,频谱响应范围宽等.
光敏二极管 当光照在半导体结上时,P-N结产生稳态光电流. 特点: 体积小,频率特性好,弱光下灵敏度低. 光敏三极管 具有放大作用,故电流灵敏度高.